AT527216B1 - cell stack system for a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zellenstapelsystem (100) für ein Brennstoffzellensystem, aufweisend mehrere Zellenstapel (110), wobei jeder Zellenstapel (110) einen Anodenabschnitt (120) und einen Kathodenabschnitt (130) aufweist, ein Rohrsystem (50) zum Zuleiten von Anodenzuführgas (AZG) und Kathodenzuführgas (KZG) zu den Zellenstapeln (110) und zum Ableiten von Anodenabgas (AAG) und Kathodenabgas (KAG) von den Zellenstapeln (110), ein Verteilersystem (10) pro Zellenstapel (110), wobei jedes Verteilersystem (10) den Anodenabschnitt (120) und den Kathodenabschnitt (130) des entsprechenden Zellenstapels (110) fluidkommunizierend mit dem Rohrsystem (50) verbindet, und eine Haltevorrichtung (70) zum Halten der Zellenstapel (110), wobei die Zellenstapel (110) gegenüber der Haltevorrichtung (70) bewegbar sind, und wobei die Haltevorrichtung (70) mechanisch separiert von dem Rohrsystem (50) oder den Verteilersystemen (10) ist, wobei das Zellenstapelsystem (100) Verbindungselemente (20) aufweist, welche zwischen der Haltevorrichtung (70) und den Zellenstapeln (110) angeordnet sind, wobei die Verbindungselemente (20) als Rollelemente (24) ausgebildet sind.The present invention relates to a cell stack system (100) for a fuel cell system, comprising a plurality of cell stacks (110), each cell stack (110) having an anode section (120) and a cathode section (130), a pipe system (50) for supplying anode feed gas (AZG) and cathode feed gas (KZG) to the cell stacks (110) and for discharging anode exhaust gas (AAG) and cathode exhaust gas (KAG) from the cell stacks (110), a distribution system (10) per cell stack (110), each distribution system (10) connecting the anode section (120) and the cathode section (130) of the corresponding cell stack (110) to the pipe system (50) in a fluid-communicating manner, and a holding device (70) for holding the cell stacks (110), the cell stacks (110) being arranged opposite the holding device (70) are movable, and wherein the holding device (70) is mechanically separated from the pipe system (50) or the distribution systems (10), wherein the cell stack system (100) has connecting elements (20) which are arranged between the holding device (70) and the cell stacks (110), wherein the connecting elements (20) are designed as rolling elements (24).
Description
ZELLENSTAPELSYSTEM FÜR EIN BRENNSTOFFZELLENSYSTEM CELL STACKING SYSTEM FOR A FUEL CELL SYSTEM
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zellenstapelsystem für ein Brennstoffzellensystem und insbesondere ein Zellenstapelsystem, bei welchem Zellenstapel gegenüber einer Haltevorrichtung bewegbar sind. [0001] The present invention relates to a cell stack system for a fuel cell system and in particular to a cell stack system in which cell stacks are movable relative to a holding device.
[0002] Im Stand der Technik sind Zellenstapelsysteme für ein Brennstoffzellensystem bekannt. Solche Zellenstapelsysteme weisen mehrere Zellenstapel auf. Die Kompensation der thermischen Längenänderung in diesen Zellenstapelsystemen wird typischerweise durch Kompensationsrohre, wie etwa Balgrohre, erreicht. Dabei sind die Balgrohre normalerweise radialsymmetrisch und werden in großer Anzahl verwendet. Diese Kompensationsrohre werden auf der gesamten Länge des Rohrsystems immer wieder abschnittsweise eingesetzt. Dabei ist die thermische Kompensation über das Rohrsystem mit der Fluidversorgung über das Rohrsystem gekoppelt. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass mit den Kompensationsrohren sehr zerbrechliche und kostspielige Hochtemperaturkomponenten erforderlich sind, die zu einer höheren Komplexität des Zellenstapelsystems führen und ein Dichtungsproblem mit sich bringen können, da zusätzliche Schweißnähte oder Flansche erforderlich sind. [0002] Cell stack systems for a fuel cell system are known in the prior art. Such cell stack systems have several cell stacks. The compensation of the thermal length change in these cell stack systems is typically achieved by compensation tubes, such as bellows tubes. The bellows tubes are normally radially symmetrical and are used in large numbers. These compensation tubes are repeatedly used in sections along the entire length of the pipe system. The thermal compensation via the pipe system is coupled with the fluid supply via the pipe system. The disadvantage of this solution is that the compensation tubes require very fragile and expensive high-temperature components, which lead to a higher complexity of the cell stack system and can cause a sealing problem because additional welds or flanges are required.
[0003] Ein Zellenstapelsystem für ein Brennstoffzellensystem ist beispielsweise in der US 6455179 B1 offenbart. [0003] A cell stack system for a fuel cell system is disclosed, for example, in US 6455179 B1.
[0004] Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Zellenstapelsystem bereitzustellen, bei welchem die Kompensation der thermischen Längenänderung von der Fluidversorgung getrennt ist. [0004] Against this background, it is an object of the present invention to at least partially eliminate the disadvantages described above. In particular, it is an object of the present invention to provide a cell stack system in which the compensation of the thermal length change is separate from the fluid supply.
[0005] Die voranstehenden Aufgaben werden gelöst durch ein Zellenstapelsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. [0005] The above objects are achieved by a cell stack system having the features of claim 1. Further features and details of the invention emerge from the subclaims, the description and the drawings.
[0006] Demgemäß wird ein Zellenstapelsystem für ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt. Das Zellenstapelsystem umfasst mehrere Zellenstapel, wobei jeder Zellenstapel einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt aufweist, ein Rohrsystem zum Zuleiten von Anodenzuführgas und Kathodenzuführgas zu den Zellenstapeln und zum Ableiten von Anodenabgas und Kathodenabgas von den Zellenstapeln, ein Verteilersystem pro Zellenstapel, wobei jedes Verteilersystem den Anodenabschnitt und den Kathodenabschnitt des entsprechenden Zellenstapels fluidkommunizierend mit dem Rohrsystem verbindet, und eine Haltevorrichtung zum Halten der Zellenstapel, wobei die Zellenstapel gegenüber der Haltevorrichtung bewegbar sind, und wobei die Haltevorrichtung mechanisch separiert von dem Rohrsystem oder den Verteilersystemen ist. [0006] Accordingly, a cell stack system for a fuel cell system is provided. The cell stack system comprises a plurality of cell stacks, each cell stack having an anode section and a cathode section, a pipe system for supplying anode feed gas and cathode feed gas to the cell stacks and for discharging anode exhaust gas and cathode exhaust gas from the cell stacks, a distribution system per cell stack, each distribution system fluidly connecting the anode section and the cathode section of the corresponding cell stack to the pipe system, and a holding device for holding the cell stacks, the cell stacks being movable relative to the holding device, and the holding device being mechanically separated from the pipe system or the distribution systems.
[0007] Dadurch, dass die Haltevorrichtung mechanisch separiert von dem Rohrsystem oder den Verteilersystemen ist, kann die Fluidversorgung von der Kompensation der thermischen Längenänderung getrennt werden. Die Kompensation der thermischen Längenänderung wird bewerkstelligt indem die Zellenstapel gegenüber der Haltevorrichtungen bewegbar sind. Das Rohrsystem und die Verteilersysteme erfüllen nur die Funktion der Fluidversorgung, also Fluidzufluss und Fluidabfluss. [0007] Because the holding device is mechanically separated from the pipe system or the distribution systems, the fluid supply can be separated from the compensation of the thermal length change. The compensation of the thermal length change is achieved by the cell stacks being movable relative to the holding devices. The pipe system and the distribution systems only fulfill the function of the fluid supply, i.e. fluid inflow and fluid outflow.
[0008] Der Ausdruck „wobei die Haltevorrichtung mechanisch separiert von dem Rohrsystem 0der den Verteilersystemen ist“ bedeutet, dass die Haltevorrichtung auf der einen Seite und das Rohrsystem und die Verteilersysteme auf der anderen Seite mechanisch nicht direkt miteinander verbunden sind. Es besteht also keine direkte mechanische Verbindung zwischen der Haltevorrichtung einerseits und dem Rohrsystem und den Verteilersystemen andererseits. Es besteht ein Kontakt zwischen der Haltevorrichtung und den Zellenstapeln, indem die Zellenstapel von der Haltevorrichtung gehalten werden. Dabei sind die Zellenstapel relativ zur Haltevorrichtung bewegbar. Es besteht zudem eine fluidkommunizierende Verbindung zwischen dem Rohrsystem und den Verteilersystemen und den Verteilersystemen und den Zellenstapeln. [0008] The expression "wherein the holding device is mechanically separated from the pipe system or the distribution systems" means that the holding device on the one hand and the pipe system and the distribution systems on the other hand are not directly mechanically connected to one another. There is therefore no direct mechanical connection between the holding device on the one hand and the pipe system and the distribution systems on the other. There is contact between the holding device and the cell stacks in that the cell stacks are held by the holding device. The cell stacks are movable relative to the holding device. There is also a fluid-communicating connection between the pipe system and the distribution systems and between the distribution systems and the cell stacks.
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[0009] Unter einem Brennstoffzellensystem wird in der vorliegenden Anmeldung ein System (z.B. SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) verstanden, welches Brennstoffzellen zum Erzeugen von elektrischer Energie mittels eines Brennstoffs aufweist, oder ein System (z.B. SOEC: Solid Oxide Electrolyzer Cell), welches Elektrolysezellen zum Erzeugen eines Brennstoffs mittels elektrischer Energie aufweist. Ein Zellenstapel weist daher mehrere Brennstoffzellen oder mehrere Elektrolysezellen auf. [0009] In the present application, a fuel cell system is understood to mean a system (e.g. SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) which has fuel cells for generating electrical energy using a fuel, or a system (e.g. SOEC: Solid Oxide Electrolyzer Cell) which has electrolysis cells for generating a fuel using electrical energy. A cell stack therefore has several fuel cells or several electrolysis cells.
[0010] Der Anodenabschnitt des Zellenstapels versorgt alle Zellen (Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen) mit Anodenzuführgas und leitet von allen Zellen (Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen) Anodenabgas ab. [0010] The anode section of the cell stack supplies anode feed gas to all cells (fuel cells or electrolysis cells) and removes anode exhaust gas from all cells (fuel cells or electrolysis cells).
[0011] Der Kathodenabschnitt des Zellenstapels versorgt alle Zellen (Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen) mit Kathodenzuführgas und leitet von allen Zellen (Brennstoffzellen oder Elektrolysezellen) Kathodenabgas ab. [0011] The cathode section of the cell stack supplies all cells (fuel cells or electrolysis cells) with cathode feed gas and removes cathode exhaust gas from all cells (fuel cells or electrolysis cells).
[0012] Gemäß der Erfindung weist das Zellenstapelsystem Verbindungselemente auf, welche zwischen der Haltevorrichtung und den Zellenstapeln angeordnet sind. Die Verbindungselemente stellen einen mechanischen Kontakt zwischen der Haltevorrichtung und den Zellenstapeln her. Mittels der Verbindungselemente kann erreicht werden, dass sich die Zellenstapel relativ zu der Haltevorrichtung bewegen können. Alternativ kann auf die Verbindungselemente verzichtet werden. In diesem Fall kommt es zu einem direkten mechanischen Kontakt zwischen der Haltevorrichtung und den Zellenstapeln, wobei auch hier die Zellenstapel gegenüber der Haltevorrichtung bewegbar sind. [0012] According to the invention, the cell stack system has connecting elements which are arranged between the holding device and the cell stacks. The connecting elements establish a mechanical contact between the holding device and the cell stacks. The connecting elements can be used to ensure that the cell stacks can move relative to the holding device. Alternatively, the connecting elements can be dispensed with. In this case, there is direct mechanical contact between the holding device and the cell stacks, whereby here too the cell stacks can be moved relative to the holding device.
[0013] Grundsätzlich können die Verbindungselemente als Gleitelemente ausgebildet sein. Dabei gleiten die Gleitelemente auf der Haltevorrichtung. Die Gleitelemente können mechanisch fest mit den Zellenstapeln verbunden sein. [0013] In principle, the connecting elements can be designed as sliding elements. The sliding elements slide on the holding device. The sliding elements can be mechanically firmly connected to the cell stacks.
[0014] Es können grundsätzlich auch mehrere Gleitelement-Fixierelemente vorgesehen sein, wobei jedes Gleitelement mittels einem Gleitelement-Fixierelement mechanisch fest mit einem Verteilersystem verbunden ist. Vorteilhafterweise werden die Kräfte, die bei der thermisch bedingten Bewegung eines Zellenstapels wirken, dann nicht über die Dichtung zwischen dem Zellenstapel und dem Verteilersystem übertragen. Die Kraft zur Bewegung wird im Wesentlichen über ein oder mehrere Gleitelemente, insbesondere zwei Gleitelemente, zwischen dem Zellenstapel und dem Verteilersystem übertragen. Weiter können die Gleitelement-Fixierelemente auch aus mehreren Teilen bestehen, z.B. wenn das Verteilersystem auch mehrere Abschnitte aufweist. [0014] In principle, several sliding element fixing elements can also be provided, each sliding element being mechanically firmly connected to a distribution system by means of a sliding element fixing element. Advantageously, the forces that act during the thermally induced movement of a cell stack are then not transmitted via the seal between the cell stack and the distribution system. The force for the movement is essentially transmitted via one or more sliding elements, in particular two sliding elements, between the cell stack and the distribution system. Furthermore, the sliding element fixing elements can also consist of several parts, e.g. if the distribution system also has several sections.
[0015] Dabei kann die Haltevorrichtung als Schienensystem ausgebildet, wobei das Schienensystem Schienen aufweist, und wobei die Gleitelemente zum Gleiten auf den Schienen ausgebildet sind. Mit dem Schienensystem kann ein technologisch einfaches und ein wenig fehleranfälliges System vorgesehen werden. Insbesondere kann das Schienensystem zwei Schienen aufweisen. [0015] The holding device can be designed as a rail system, the rail system having rails and the sliding elements being designed to slide on the rails. The rail system can be used to provide a technologically simple system that is less prone to errors. In particular, the rail system can have two rails.
[0016] Gemäß des erfindungsgemäßen Zellenstapelsystems sind die Verbindungselemente jedoch als Rollelemente ausgebildet. Die Reibung beim Rollen ist prinzipiell geringer als beim Gleiten. Daher kann mittels der Rollelemente die Reibung gegenüber von Gleitelementen verringert werden. Die Zellenstapel lassen sich daher relativ zu der Haltevorrichtung besonders einfach bewegen. [0016] According to the cell stack system according to the invention, however, the connecting elements are designed as rolling elements. The friction when rolling is in principle lower than when sliding. The rolling elements can therefore be used to reduce the friction compared to sliding elements. The cell stacks can therefore be moved particularly easily relative to the holding device.
[0017] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Zellenstapelsystems sind die Rollelemente als Kugeln ausgebildet. Vorteilhafterweise sind Kugeln von ihrer Form her besonders stabil, können hohe Lasten tragen und sind einfach herzustellen. [0017] According to a further embodiment of the cell stack system, the rolling elements are designed as balls. Advantageously, balls are particularly stable in terms of their shape, can bear high loads and are easy to manufacture.
[0018] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Zellenstapelsystems sind die Rollelemente als Zylinder ausgebildet. Insbesondere kann es sich bei den Zylindern um Kreiszylinder handeln. Rollelemente mit Kreiszylinderform sind ebenfalls einfach herstellbar. [0018] According to a further embodiment of the cell stack system, the rolling elements are designed as cylinders. In particular, the cylinders can be circular cylinders. Rolling elements with a circular cylindrical shape are also easy to manufacture.
[0019] Gemäß einem weiteren nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel des Zellenstapelsystems weist jedes Verbindungselement mehrere elastische Elemente auf. Aufgrund der elastischen Elemente sind die Zellenstapel relativ zu der Haltevorrichtung bewegbar. Insbesondere [0019] According to a further embodiment of the cell stack system, each connecting element has several elastic elements. Due to the elastic elements, the cell stacks are movable relative to the holding device. In particular
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weist das Verbindungselement zwischen 2 und 5, zwischen 2 und 8, zwischen 2 und 10 oder zwischen 2 und 20 elastische Elemente auf. Bei den elastischen Elementen kann es sich zum Beispiel um dünne Platten handeln. Dabei können die dünnen Platten Metall aufweisen. Solche Platten können sich um einige Millimeter biegen. Dies erlaubt eine Verschiebung der Zellenstapel relativ zu der Haltevorrichtung um einige Millimeter. Insbesondere erlaubt dies eine Verschiebung der Zellenstapel relativ zu der Haltevorrichtung von 1 mm bis 3 mm, 1 mm bis 5 mm, 1 mm bis 7 mm oder 1 mm bis 10 mm. the connecting element has between 2 and 5, between 2 and 8, between 2 and 10 or between 2 and 20 elastic elements. The elastic elements can be, for example, thin plates. The thin plates can comprise metal. Such plates can bend by a few millimeters. This allows a displacement of the cell stacks relative to the holding device by a few millimeters. In particular, this allows a displacement of the cell stacks relative to the holding device of 1 mm to 3 mm, 1 mm to 5 mm, 1 mm to 7 mm or 1 mm to 10 mm.
[0020] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Zellenstapelsystems erstreckt sich das Rohrsystem in einer Längsrichtung. Dabei bedeutet „erstreckt sich das Rohrsystem in einer Längsrichtung“, dass sich das Rohrsystem vorzugsweise entlang einer Geraden erstreckt. Alternativ kann die Längsrichtung aber auch eine oder mehrere Krümmungen aufweisen. Bei einem sich in Längsrichtung erstreckenden Rohrsystem kann die Anzahl der Zellenstapel besonders einfach erhöht werden. [0020] According to a further embodiment of the cell stack system, the pipe system extends in a longitudinal direction. In this case, “the pipe system extends in a longitudinal direction” means that the pipe system preferably extends along a straight line. Alternatively, the longitudinal direction can also have one or more bends. With a pipe system extending in the longitudinal direction, the number of cell stacks can be increased particularly easily.
[0021] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Zellenstapelsystems ist ein einziger Abschnitt des Rohrsystems an einem Fluideingang des Rohrsystems als Balgrohr ausgebildet. Wenn das Rohrsystem mehrere Rohre aufweist, dann können alle Rohre des Rohrsystems einen einzigen Abschnitt haben, welcher als Balgrohr ausgebildet ist. Der Ausdruck „an einem Fluideingang“ bedeutet im Bereich des Fluideingangs. Ein Balgrohr ist ein Rohr dessen Rohrwand eine wellenartige Struktur aufweist, welche sich in Rohrrichtung ausdehnen und zusammenziehen lässt. [0021] According to a further embodiment of the cell stack system, a single section of the pipe system is designed as a bellows tube at a fluid inlet of the pipe system. If the pipe system has several pipes, then all pipes of the pipe system can have a single section which is designed as a bellows tube. The expression "at a fluid inlet" means in the area of the fluid inlet. A bellows tube is a pipe whose pipe wall has a wave-like structure which can expand and contract in the pipe direction.
[0022] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Zellenstapelsystems weist das Rohrsystem zumindest ein Anodenzuführrohr, zumindest ein Kathodenzuführrohr, zumindest ein Anodenabführrohr und zumindest ein Kathodenabführrohr auf. Dabei weist jedes Verteilersystem einen Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von Anodenzuführgas von dem Anodenzuführrohr zu dem Anodenabschnitt, einen Anodenabführabschnitt zum Abführen von Anodenabgas von dem Anodenabschnitt zu dem Anodenabführrohr, einen Kathodenzuführabschnitt zum Zuführen von Kathodenzuführgas von dem Kathodenzuführrohr zu dem Kathodenabschnitt und einen Kathodenabführabschnitt zum Abführen von Kathodenabgas von dem Kathodenabschnitt zu dem Kathodenabführrohr auf. [0022] According to a further embodiment of the cell stack system, the pipe system has at least one anode feed pipe, at least one cathode feed pipe, at least one anode discharge pipe and at least one cathode discharge pipe. Each distribution system has an anode feed section for feeding anode feed gas from the anode feed pipe to the anode section, an anode discharge section for discharging anode exhaust gas from the anode section to the anode discharge pipe, a cathode feed section for feeding cathode feed gas from the cathode feed pipe to the cathode section and a cathode discharge section for discharging cathode exhaust gas from the cathode section to the cathode discharge pipe.
[0023] Dementsprechend weist das Rohrsystem vier oder mehr Rohre auf. Das Rohrsystem kann auch mit in zwei Reihen angeordneten Zellenstapeln fluidkommunizierend verbunden sein. In diesem Fall kann das Rohrsystem insbesondere zwei Anodenzuführrohre oder zwei Kathodenzuführrohre aufweisen. [0023] Accordingly, the pipe system has four or more pipes. The pipe system can also be connected in a fluid-communicating manner to cell stacks arranged in two rows. In this case, the pipe system can in particular have two anode feed pipes or two cathode feed pipes.
[0024] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Zellenstapelsystems weist das Zellenstapelsystem ein Haltevorrichtungs-Fixierelement auf, wobei das Rohrsystem an einer Rohrsystem-Befestigungsstelle mittels des Haltevorrichtung-Fixierelements mechanisch fest mit der Haltevorrichtung an einer Haltevorrichtung-Befestigungsstelle verbunden ist. Dadurch, dass das Rohrsystem an der Haltevorrichtung-Befestigungsstelle mit der Haltevorrichtung fest verbunden ist, stellt die Haltevorrichtung-Befestigungsstelle den Bezugspunkt für die thermisch bedingte Längenausdehnung des Zellenstapelsystems dar. Die Zellenstapel sind, wie oben und unten im Text beschrieben, relativ zu der Haltevorrichtung bewegbar. Insbesondere sind die Zellenstapel in Längsrichtung relativ zu der Haltevorrichtung-Befestigungsstelle bewegbar. Auch das Rohrsystem, welches an der Haltevorrichtung-Befestigungsstelle mechanisch fest mit der Haltevorrichtung verbunden ist, kann sich in Längsrichtung mit der Haltevorrichtung-Befestigungsstelle als Fixpunkt in Längsrichtung gesehen, relativ zu diesem Fixpunkt thermisch bedingt ausdehnen. Am Fluideingang wird die thermisch bedingte Längenänderung des Rohrsystems durch das Balgrohr ermöglicht. Das Rohrsystemende kann ohne Fluidanschluss vorgesehen sein. Der Fluidausgang kann auf der Seite des Fluideingangs sein. In diesem Fall gibt es bei einer thermisch bedingten Längenänderung keine Einschränkungen auf der Seite des Rohrsystems, welche das Rohrsystemende aufweist. [0024] According to a further embodiment of the cell stack system, the cell stack system has a holding device fixing element, wherein the pipe system is mechanically firmly connected to the holding device at a holding device fixing point at a pipe system fixing point by means of the holding device fixing element. Because the pipe system is firmly connected to the holding device at the holding device fixing point, the holding device fixing point represents the reference point for the thermally induced linear expansion of the cell stack system. The cell stacks are movable relative to the holding device, as described above and below in the text. In particular, the cell stacks are movable in the longitudinal direction relative to the holding device fixing point. The pipe system, which is mechanically firmly connected to the holding device at the holding device fixing point, can also expand in the longitudinal direction with the holding device fixing point as a fixed point in the longitudinal direction, relative to this fixed point due to thermal factors. At the fluid inlet, the thermally induced change in length of the pipe system is made possible by the bellows tube. The pipe system end can be provided without a fluid connection. The fluid outlet can be on the side of the fluid inlet. In this case, in the event of a thermally induced change in length, there are no restrictions on the side of the pipe system that has the pipe system end.
[0025] Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Zellenstapelsystems weist das Rohrsystem einen Rohrsystemanfang, ein Rohrsystemende und eine Rohrsystemlänge auf. Dabei ist die [0025] According to a further embodiment of the cell stack system, the pipe system has a pipe system start, a pipe system end and a pipe system length.
Rohrsystem-Befestigungsstelle vom Rohrsystemanfang und vom Rohrsystemende jeweils zumindest 30% der Rohrsystemlänge, jeweils zumindest 35% der Rohrsystemlänge, jeweils zumindest 40% der Rohrsystemlänge oder jeweils zumindest 45% der Rohrsystemlänge entfernt. Insbesondere ist die Rohrsystem-Befestigungsstelle im Wesentlichen in der Mitte des Rohrsystems angeordnet. Dadurch, dass die Rohrsystem-Befestigungsstelle und die Haltevorrichtung-Befestigungsstelle, welche den Bezugspunkt für die thermische Ausdehnung darstellt, fest miteinander verbunden sind, und die Rohrsystem-Befestigungsstelle möglichst mittig im Rohrsystem angeordnet ist, ergibt sich in beide Richtungen des Rohrsystems ein nicht zu großer Unterschied in der thermisch bedingten Längenänderung des Rohrsystems. Pipe system fastening point is at least 30% of the pipe system length, at least 35% of the pipe system length, at least 40% of the pipe system length or at least 45% of the pipe system length away from the pipe system start and from the pipe system end. In particular, the pipe system fastening point is arranged essentially in the middle of the pipe system. Because the pipe system fastening point and the holding device fastening point, which represents the reference point for the thermal expansion, are firmly connected to one another and the pipe system fastening point is arranged as centrally as possible in the pipe system, there is not too great a difference in the thermally induced change in length of the pipe system in both directions of the pipe system.
[0026] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsformen im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen: [0026] Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which embodiments are described in detail with reference to the drawings. They show:
[0027] Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Zellenstapelsystems; [0028] Fig. 2 eine Schnittansicht des Zellenstapelsystems der Fig. 1 entlang der Linie Il- II; [0027] Fig. 1 is a schematic view of a cell stack system; [0028] Fig. 2 is a sectional view of the cell stack system of Fig. 1 along the line II-II;
[0029] Fig. 3 eine schematische detaillierte Darstellung eines Verteilersystems und eines Rohrsystems; [0029] Fig. 3 is a schematic detailed representation of a distribution system and a pipe system;
[0030] Fig. 4 eine schematische Ansicht eines Zellenstapelsystems gemäß der Erfindung; und [0030] Fig. 4 is a schematic view of a cell stack system according to the invention; and
[0031] Fig. 5 eine schematische Ansicht eines Zellenstapelsystems in einer weiteren nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform. [0031] Fig. 5 is a schematic view of a cell stack system in a further embodiment not according to the invention.
[0032] Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Zellenstapelsystems 100. Das Zellenstapelsystem 100 kann als Teil eines Brennstoffzellensystems eingesetzt werden. Das Zellenstapelsystem 100 weist mehrere Zellenstapel 110, ein Rohrsystem 50, ein Verteilersystem 10 pro Zellenstapel 110 und eine Haltevorrichtung 70 auf. Jeder Zellenstapel umfasst einen Anodenabschnitt 120 und einen Kathodenabschnitt 130. Das Rohrsystem 50 dient zum Zuleiten von Anodenzuführgas AZG und Kathodenzuführgas KZG zu den Zellenstapeln 110 und zum Ableiten von Anodenabgas AAG und Kathodenabgas KAG von den Zellenstapeln 110. Jedes Verteilersystem 10 verbindet den Anodenabschnitt 120 und den Kathodenabschnitt 130 des entsprechenden Zellenstapels 110 fluidkommunizierend mit dem Rohrsystem 50. [0032] Fig. 1 shows a schematic view of a cell stack system 100. The cell stack system 100 can be used as part of a fuel cell system. The cell stack system 100 has several cell stacks 110, a pipe system 50, a distribution system 10 per cell stack 110 and a holding device 70. Each cell stack comprises an anode section 120 and a cathode section 130. The pipe system 50 serves to supply anode feed gas AZG and cathode feed gas KZG to the cell stacks 110 and to discharge anode exhaust gas AAG and cathode exhaust gas KAG from the cell stacks 110. Each distribution system 10 connects the anode section 120 and the cathode section 130 of the corresponding cell stack 110 in fluid communication with the pipe system 50.
[0033] Die Haltevorrichtung 70 dient zum Halten der Zellenstapel 110. Dabei sind die Zellenstapel 110 relativ zu der Haltevorrichtung 70 bewegbar. Weiter ist die Haltevorrichtung 70 mechanisch separiert von dem Rohrsystem 50 oder den Verteilersystemen 10 angeordnet, das heißt es gibt keine direkte mechanische Verbindung zwischen der Haltevorrichtung 70 einerseits und dem Rohrsystem 50 und den Verteilersystemen 10 andererseits. [0033] The holding device 70 serves to hold the cell stacks 110. The cell stacks 110 are movable relative to the holding device 70. Furthermore, the holding device 70 is arranged mechanically separated from the pipe system 50 or the distribution systems 10, i.e. there is no direct mechanical connection between the holding device 70 on the one hand and the pipe system 50 and the distribution systems 10 on the other.
[0034] Durch die mechanische Trennung von der Haltevorrichtung 70 auf der einen Seite und dem Rohrsystem 50 und den Verteilersystemen 10 auf der anderen Seite, kann die Fluidversorgung des Zellenstapelsystems 100 von der Kompensation der thermischen Längenänderung des Zellenstapelsystems 100 getrennt werden. Die Kompensation der thermischen Längenänderung des Zellenstapelsystems 100 wird durch die relative Beweglichkeit der Zellenstapel 110 gegenüber der Haltevorrichtung 70 erreicht. Dagegen erfüllen das Rohrsystem 50 und die Verteilersysteme 10 die Funktion der Zuleitung von Anodenzuführgas AZG und Kathodenzuführgas KZG und die Funktion der Ableitung von Anodenabgas AAG und Kathodenabgas KAG. [0034] Due to the mechanical separation of the holding device 70 on the one hand and the pipe system 50 and the distribution systems 10 on the other hand, the fluid supply of the cell stack system 100 can be separated from the compensation of the thermal length change of the cell stack system 100. The compensation of the thermal length change of the cell stack system 100 is achieved by the relative mobility of the cell stacks 110 with respect to the holding device 70. In contrast, the pipe system 50 and the distribution systems 10 fulfill the function of supplying anode feed gas AZG and cathode feed gas KZG and the function of discharging anode exhaust gas AAG and cathode exhaust gas KAG.
[0035] Weiter werden in der Fig. 1 Verbindungselemente 20 gezeigt, welche als Gleitelemente 22 ausgebildet sind. Die Gleitelemente 22 sind zwischen der Haltevorrichtung 70 und den Zellenstapeln 110 angeordnet. Dabei sind die Gleitelemente 22 mechanisch fest mit den Zellenstapeln 110 verbunden. Auf der Haltevorrichtung 70 können die Gleitelemente 22 gleiten, um die relative Beweglichkeit der Zellenstapel 110 zu der Haltevorrichtung 70 zu gewährleisten. Alternativ besteht zwischen den Gleitelementen 22 und den Zellenstapeln 110 keine feste Verbindung. [0035] Furthermore, Fig. 1 shows connecting elements 20 which are designed as sliding elements 22. The sliding elements 22 are arranged between the holding device 70 and the cell stacks 110. The sliding elements 22 are mechanically firmly connected to the cell stacks 110. The sliding elements 22 can slide on the holding device 70 in order to ensure the relative mobility of the cell stacks 110 to the holding device 70. Alternatively, there is no fixed connection between the sliding elements 22 and the cell stacks 110.
[0036] Die Haltevorrichtung 70 kann als Schienensystem 80 ausgebildet sein. Das Schienensystem 80 umfasst mehrere Schienen, insbesondere zwei Schienen. Dabei sind die Gleitelemente 22 zum Gileiten auf den Schienen ausgebildet. [0036] The holding device 70 can be designed as a rail system 80. The rail system 80 comprises several rails, in particular two rails. The sliding elements 22 are designed to slide on the rails.
[0037] Wie in der Fig. 1 zu sehen ist, stellen die Verteilersysteme 10 eine fluidkommunizierende Verbindung zwischen dem Rohrsystem 50 und den Zellenstapeln 110 her. Dabei werden die Verteilersysteme 10 durch Ausnehmungen 12 der Haltevorrichtung 70 geführt. Weiter erstreckt sich das Rohrsystem 50 in einer Längsrichtung 52. Bei einem solchen Verlauf des Rohrsystems 50 kann die Anzahl der Zellenstapel 110 des Zellenstapelsystems 100 leicht erhöht werden, ohne das größere Veränderungen am Zellenstapelsystem 100 vorgenommen werden müssen. [0037] As can be seen in Fig. 1, the distribution systems 10 establish a fluid-communicating connection between the pipe system 50 and the cell stacks 110. The distribution systems 10 are guided through recesses 12 in the holding device 70. The pipe system 50 also extends in a longitudinal direction 52. With such a course of the pipe system 50, the number of cell stacks 110 of the cell stack system 100 can be easily increased without major changes having to be made to the cell stack system 100.
[0038] Das Zellenstapelsystem 100 kann ein Haltevorrichtungs-Fixierelement 40 aufweisen. Das Haltevorrichtung-Fixierelement 40 stellt eine mechanische feste Verbindung von einer Rohrsystem-Befestigungsstelle 42 des Rohrsystems 50 zu einer Haltevorrichtung-Befestigungsstelle 44 der Haltevorrichtung 70 her. Damit stellt die Haltevorrichtung-Befestigungsstelle 44 der Haltevorrichtung 70 einen Bezugspunkt für die thermisch bedingte Längenveränderung des Zellenstapelsystems 100 dar. Die Zellenstapel 110 sind mittels der Gleitelemente 22 in Längsrichtung 52 in beide Richtungen bezogen auf die Haltevorrichtung-Befestigungsstelle 44 verschiebbar. Auch das Rohrsystem 50 kann eine thermisch bedingte Längenänderung in Längsrichtung 52 in beide Richtungen bezogen auf die Haltevorrichtung-Befestigungsstelle 44 realisieren, da das Rohrsystem an der Haltevorrichtung-Befestigungsstelle 44 der Haltevorrichtung 70 mit der Haltevorrichtung 70 verbunden ist. [0038] The cell stack system 100 can have a holding device fixing element 40. The holding device fixing element 40 establishes a mechanically fixed connection from a pipe system fastening point 42 of the pipe system 50 to a holding device fastening point 44 of the holding device 70. The holding device fastening point 44 of the holding device 70 thus represents a reference point for the thermally induced change in length of the cell stack system 100. The cell stacks 110 can be displaced by means of the sliding elements 22 in the longitudinal direction 52 in both directions relative to the holding device fastening point 44. The pipe system 50 can also realize a thermally induced change in length in the longitudinal direction 52 in both directions relative to the holding device fastening point 44, since the pipe system is connected to the holding device 70 at the holding device fastening point 44 of the holding device 70.
[0039] An einem Fluideingang 54 des Rohrsystems 50 kann ein einziger Abschnitt des Rohrsystems 50 als Balgrohr 56 ausgebildet sein. Das Balgrohr 56 erlaubt eine thermisch bedingte Längenänderung des Rohrsystems 50 in Längsrichtung 52, ohne dass es mit weiteren Anschlüssen am Fluideingang 54 zu Problemen kommt. [0039] At a fluid inlet 54 of the pipe system 50, a single section of the pipe system 50 can be designed as a bellows tube 56. The bellows tube 56 allows a thermally induced change in length of the pipe system 50 in the longitudinal direction 52 without causing problems with additional connections at the fluid inlet 54.
[0040] Wie in der Fig. 1 dargestellt, weist das Rohrsystem 50 einen Rohrsystemanfang 46, ein Rohrsystemende 48 und eine Rohrsystemlänge L auf. Dabei ist die Rohrsystem-Befestigungsstelle 42 vorzugsweise im Wesentlichen in der Mitte des Rohrsystems angeordnet. Jedenfalls hat die Rohrsystem-Befestigungsstelle 42 vom Rohrsystemanfang 46 und vom Rohrsystemende 48 jeweils mindestens 30% der Rohrsystemlänge L, jeweils mindestens 35% der Rohrsystemlänge L, jeweils mindestens 40% der Rohrsystemlänge L oder jeweils mindestens 45% der Rohrsystemlänge L abstand. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die beiden Seiten des Rohrsystems 50 rechts und links von der Rohrsystem-Befestigungsstelle 42 eine nicht zu unterschiedlich große thermisch bedingte Längenveränderung in Längsrichtung 52 aufweisen. [0040] As shown in Fig. 1, the pipe system 50 has a pipe system start 46, a pipe system end 48 and a pipe system length L. The pipe system attachment point 42 is preferably arranged essentially in the middle of the pipe system. In any case, the pipe system attachment point 42 is at least 30% of the pipe system length L, at least 35% of the pipe system length L, at least 40% of the pipe system length L or at least 45% of the pipe system length L from the pipe system start 46 and the pipe system end 48. This ensures that the two sides of the pipe system 50 to the right and left of the pipe system attachment point 42 do not have too different thermally induced length changes in the longitudinal direction 52.
[0041] Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittansicht des Zellenstapelsystems 100 der Fig. 1 entlang der Linie Il-Il. Dargestellt sind der Zellenstapel 110, das Verteilersystem 10, das Rohrsystem 50, zwei Verbindungselemente 20, welche als Gleitelemente 22 ausgebildet sind, die Haltevorrichtung 70, welche als Schienensystem 80 ausgebildet sein kann, und zwei Gleitelement-Fixierelemente 30. Die zwei Gleitelemente 22 sind mittels den zwei Gleitelement-Fixierelementen 30 mechanisch fest mit dem Verteilersystem 10 verbunden. Aufgrund der zwei Gleitelement-Fixierelemente 30 braucht die Kraft, welche durch die thermisch bedingte Längenänderung des Zellenstapelsystems 100 verursacht wird, und welche zwischen dem Zellenstapel 110 und dem Verteilersystem 10 wirkt, nicht über die Dichtung zwischen dem Zellenstapel 110 und dem Verteilersystem 10 übertragen werden. Die Kraft kann stattdessen über die Gleitelemente 22 zwischen dem Zellenstapel 110 und dem Verteilersystem 10 übertragen werden. [0041] Fig. 2 shows a schematic sectional view of the cell stack system 100 of Fig. 1 along the line II-II. Shown are the cell stack 110, the distribution system 10, the pipe system 50, two connecting elements 20, which are designed as sliding elements 22, the holding device 70, which can be designed as a rail system 80, and two sliding element fixing elements 30. The two sliding elements 22 are mechanically firmly connected to the distribution system 10 by means of the two sliding element fixing elements 30. Due to the two sliding element fixing elements 30, the force which is caused by the thermally induced change in length of the cell stack system 100 and which acts between the cell stack 110 and the distribution system 10 does not need to be transmitted via the seal between the cell stack 110 and the distribution system 10. Instead, the force can be transmitted via the sliding elements 22 between the cell stack 110 and the distribution system 10.
[0042] Wenn das Verteilersystem 10 mehrere Abschnitte aufweist, dann können die beiden Gleitelement-Fixierelemente 30 mehrere Elemente aufweisen, um die mehreren Abschnitte mechanisch mit den beiden Gleitelementen 22 zu verbinden. [0042] If the distribution system 10 has multiple sections, then the two sliding element fixing elements 30 may have multiple elements to mechanically connect the multiple sections to the two sliding elements 22.
[0043] Das in der Fig. 2 dargestellte Rohrsystem 50 kann mehrere Rohre aufweisen und das in der Fig. 2 dargestellte Verteilersystem kann mehrere Abschnitte aufweisen, wie z.B. in der Fig. 3 dargestellt. [0043] The pipe system 50 shown in Fig. 2 may have several pipes and the distribution system shown in Fig. 2 may have several sections, as shown in Fig. 3, for example.
[0044] Fig. 3 zeigt eine schematische detaillierte Darstellung eines Verteilersystems 10 mit mehreren Abschnitten 122, 124, 132, 134 und eines Rohrsystems 50 mit mehreren Rohren 62, 64, 66, 68. Das Rohrsystem 50 weist ein Anodenzuführrohr 62, ein Kathodenzuführrohr 64, ein Anodenabführrohr 66 und ein Kathodenabführrohr 68 auf. Das Verteilersystem 10 weist einen Ano-[0044] Fig. 3 shows a schematic detailed representation of a distribution system 10 with several sections 122, 124, 132, 134 and a pipe system 50 with several pipes 62, 64, 66, 68. The pipe system 50 has an anode feed pipe 62, a cathode feed pipe 64, an anode discharge pipe 66 and a cathode discharge pipe 68. The distribution system 10 has an anode
denzuführabschnitt 122 zum Zuführen von Anodenzuführgas AZG von dem Anodenzuführrohr 62 zu dem Anodenabschnitt 120, einen Anodenabführabschnitt 124 zum Abführen von Anodenabgas AAG von dem Anodenabschnitt 120 zu dem Anodenabführrohr 66, einen Kathodenzuführabschnitt 132 zum Zuführen von Kathodenzuführgas KZG von dem Kathodenzuführrohr 64 zu dem Kathodenabschnitt 130 und einen Kathodenabführabschnitt 134 zum Abführen von Kathodenabgas KAG von dem Kathodenabschnitt 130 zu dem Kathodenabführrohr 68 auf. a feed section 122 for feeding anode feed gas AZG from the anode feed pipe 62 to the anode section 120, an anode discharge section 124 for discharging anode exhaust gas AAG from the anode section 120 to the anode discharge pipe 66, a cathode feed section 132 for feeding cathode feed gas KZG from the cathode feed pipe 64 to the cathode section 130, and a cathode discharge section 134 for discharging cathode exhaust gas KAG from the cathode section 130 to the cathode discharge pipe 68.
[0045] Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht eines Zellenstapelsystems 100 gemäß der Erfindung. Es wird nur auf die Unterschiede zu dem in der Fig. 1 dargestellten Zellenstapelsystem 100 eingegangen. Wie in der Fig. 4 dargestellt, sind die Verbindungselemente 20 als Rollelemente 24 ausgebildet. Mittels der Rollelemente 24 können die Zellenstapel 110 relativ zu der Haltevorrichtung 70 bewegbar gelagert werden. Insbesondere können die Rollelemente 24 als Zylinder 28 ausgebildet sein. Vorzugsweise handelt es sich bei den Zylindern 28 um Kreiszylinder. Alternativ können die Rollelemente 24 als Kugeln 26 ausgebildet sein. [0045] Fig. 4 shows a schematic view of a cell stack system 100 according to the invention. Only the differences from the cell stack system 100 shown in Fig. 1 are discussed. As shown in Fig. 4, the connecting elements 20 are designed as rolling elements 24. The cell stacks 110 can be movably mounted relative to the holding device 70 by means of the rolling elements 24. In particular, the rolling elements 24 can be designed as cylinders 28. The cylinders 28 are preferably circular cylinders. Alternatively, the rolling elements 24 can be designed as balls 26.
[0046] Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht eines Zellenstapelsystems 100 in einer weiteren Ausführungsform. Es wird nur auf die Unterschiede zu dem in der Fig. 1 dargestellten Zellenstapelsystem 100 eingegangen. Wie in der Fig. 5 dargestellt, weisen die Verbindungselemente 20 mehrere elastische Elemente 36 auf. Mittels der elastischen Elemente 36 können die Zellenstapel 110 relativ zu der Haltevorrichtung 70 bewegbar gelagert werden. Die elastischen Elemente können insbesondere dünne Metallplatten aufweisen. [0046] Fig. 5 shows a schematic view of a cell stack system 100 in a further embodiment. Only the differences from the cell stack system 100 shown in Fig. 1 are discussed. As shown in Fig. 5, the connecting elements 20 have a plurality of elastic elements 36. The cell stacks 110 can be movably mounted relative to the holding device 70 by means of the elastic elements 36. The elastic elements can in particular have thin metal plates.
BEZUGSZEICHENLISTE REFERENCE SYMBOL LIST
10 Verteilersystem 10 distribution system
12 Ausnehmung 12 recess
20 Verbindungselement 20 connecting element
22 Gleitelement 22 sliding element
24 Rollelement 24 rolling elements
26 Kugel 26 balls
28 Zylinder 28 cylinders
30 Gleitelement-Fixierelement 30 sliding element fixing element
36 elastische Elemente 36 elastic elements
40 Haltevorrichtung-Fixierelement 42 Rohrsystem-Befestigungsstelle 44 Haltevorrichtung-Befestigungsstelle 46 Rohrsystemanfang 40 Holding device fixing element 42 Pipe system fastening point 44 Holding device fastening point 46 Pipe system start
48 Rohrsystemende 48 pipe system end
50 Rohrsystem 50 pipe system
52 Längsrichtung 52 longitudinal direction
54 Fluideingang 54 fluid inlet
56 Balgrohr 56 bellows tube
62 Anodenzuführrohr 62 anode feed pipe
64 Kathodenzuführrohr 64 cathode feed tube
66 Anodenabführrohr 66 anode discharge pipe
68 Kathodenabführrohr 68 cathode discharge tube
70 Haltevorrichtung 70 holding device
80 Schienensystem 80 rail system
100 Zellenstapelsystem 100 cell stack system
110 Zellenstapel 110 cell stacks
120 Anodenabschnitt 120 anode section
122 Anodenzuführabschnitt 124 Anodenabführabschnitt 130 Kathodenabschnitt 122 Anode supply section 124 Anode discharge section 130 Cathode section
132 Kathodenzuführabschnitt 134 Kathodenabführabschnitt AZG Anodenzuführgas 132 Cathode supply section 134 Cathode discharge section AZG Anode supply gas
AAG — Anodenabgas AAG — anode exhaust gas
KZG Kathodenzuführgas KAG Kathodenabgas KZG cathode supply gas KAG cathode exhaust gas
L Rohrsystemlänge L pipe system length
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